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【激光氨氣分析】AE: 華北農(nóng)區(qū)秋冬季地氣氨交換規(guī)律
題注：寧波海爾欣光電科技有限公司和中科院大氣物理研究所和深入合作，研發(fā)了一款便攜式、高精度、快響應(yīng)的HT8700開路多通池激光氨分析儀，并以HT8700為核心部件，集成開發(fā)了一套基于大氣湍流方法（渦動相關(guān)法）的氨通量觀測系統(tǒng)，這是目前測量地氣氨交換通量的理想方法。
本文介紹了一個最新發(fā)表在Atmospheric Environment的研究工作。該項目采用了HT8700和渦動相關(guān)技術(shù)，在華北農(nóng)區(qū)開展秋冬季地氣氨交換通量高頻觀測，成功獲取了典型玉麥輪作農(nóng)田在冬小麥播種施肥期間的氨揮發(fā)通量數(shù)據(jù)。
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華北是我國氨的熱點區(qū)域，大氣中的氨含量高，空間覆蓋范圍廣，這與區(qū)域內(nèi)高強度的農(nóng)業(yè)活動密切相關(guān)，如農(nóng)業(yè)施肥、畜牧養(yǎng)殖等。高濃度的大氣氨和由此引發(fā)的過量活性氮沉降，會導(dǎo)致重霾污染天氣，也深刻改變了氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)。對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，施肥導(dǎo)致的氮揮發(fā)還是農(nóng)田氮養(yǎng)分損失的重要途徑。
相對于氨的重要性，對其排放和沉降的觀測研究工作卻相對滯后，這主要受制于氨在線檢測儀器及觀測方法上的局限。例如，目前國內(nèi)外對于氨干沉降通量的觀測，大都采用基于低頻（數(shù)日至數(shù)月）濃度采樣的沉降速率經(jīng)驗系數(shù)法，其結(jié)果的準(zhǔn)確度亟待檢驗。加之氨氣在大氣中相態(tài)轉(zhuǎn)化多變，高頻且準(zhǔn)確的濃度和通量信息，是對大氣氨實施有效調(diào)控的必要基礎(chǔ)。
鑒于此，中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所等單位，采用自主研制的開路激光氨分析儀（Wang et al.，2021）和基于大氣湍流理論的渦動相關(guān)技術(shù)，在華北農(nóng)區(qū)開展秋冬季地氣氨交換通量高頻觀測，研究站點位于河北省曲周縣，該地區(qū)的氨排放和沉降問題尤為突出。
研究團隊成功獲取了典型玉麥輪作農(nóng)田在冬小麥播種施肥期間的氨揮發(fā)通量數(shù)據(jù)，并估算出由此損失的氮占氮肥施用量的0.57-0.71%，該結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同類觀測研究的估算結(jié)果，這在很大程度上歸因于優(yōu)化后的施肥管理措施，為評估農(nóng)業(yè)氨減排途徑的有效性提供了觀測證據(jù)。得益于觀測設(shè)備在測量精度和頻率上的優(yōu)良性能，研究團隊還獲得農(nóng)區(qū)高時間分辨率（半小時）的氨干沉降通量數(shù)據(jù)集，監(jiān)測到平均沉降速率為14 g N ha-1 d-1，并發(fā)現(xiàn)迥然不同于自然生態(tài)系統(tǒng)的干沉降日變化規(guī)律。未來，利用該自主儀器及方法開展長期定位觀測，可為氨干沉降通量的聯(lián)網(wǎng)觀測研究提供有效的驗證數(shù)據(jù)，有助于提升對氨沉降時空變化規(guī)律的認(rèn)識。
圖1 基于自主研制儀器的氨湍流通量觀測系統(tǒng)
圖2 華北典型農(nóng)區(qū)秋冬季氨濃度和氨通量半小時平均觀測值（子圖b和c中的通量值與子圖a相同，縱軸坐標(biāo)數(shù)值范圍不同）
圖3 華北典型農(nóng)區(qū)秋冬季氨濃度和氨干沉降通量日變化趨勢
上述研究成果近期發(fā)表于Atmospheric Environment，論文第一作者為大氣物理研究所王凱博士和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王敬霞研究生，通訊作者為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉學(xué)軍教授。研究得到國家大氣重污染成因與治理攻關(guān)項目（DQGG0208）、國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC0213301、2017YFD0200101）、國家自然科學(xué)基金（41975169、42175137）等項目的資助。
相關(guān)文獻：
1. Wang K., Wang J., Qu Z., Xu W., Wang K., Zhang H., Shen J., Kang P., Zhen X., Wang Y., Zheng X., Liu X., 2022. A significant diurnal pattern of ammonia dry deposition to a cropland is detected by an open-path quantum cascade laser-based eddy covariance instrument. Atmospheric Environment 278, 119070
2. Wang K., Kang P., Lu Y., Zheng X., Liu M., Lin T., Butterbach-Bahl K., Wang Y., 2021. An open-path ammonia analyzer for eddy covariance flux measurement. Agricultural and Forest Meteorology 308–309: 108570.